Trong đặc trưng linh kiện bán dẫn, hiếm có đại lượng nào vừa quen thuộc vừa dễ gây tranh cãi như điện áp ngưỡng. Hai kỹ sư đo cùng một transistor, cùng một wafer, vẫn có thể báo hai con số lệch nhau vài chục milivôn. Nguyên nhân thường không nằm ở linh kiện mà ở chỗ mỗi người dùng một định nghĩa khác nhau. Bài viết này đi vào bản chất của việc trích điện áp ngưỡng Vth: ba phương pháp phổ biến nhất, sai số đặc trưng của từng phương pháp, và cách chọn phương pháp cho đúng bài toán.
Vì sao trích điện áp ngưỡng Vth không có một đáp số duy nhất
Điện áp ngưỡng được hiểu là mức điện áp cổng mà tại đó kênh dẫn bắt đầu hình thành. Vấn đề là quá trình đó không xảy ra đột ngột. Dòng máng tăng theo hàm mũ trong vùng dưới ngưỡng rồi mới chuyển sang quan hệ gần tuyến tính, nên ranh giới giữa “chưa dẫn” và “đã dẫn” là một vùng chuyển tiếp chứ không phải một điểm.
Hệ quả là mọi phương pháp trích Vth đều phải áp một quy ước nhân tạo lên vùng chuyển tiếp đó. Điều bắt buộc là ghi rõ phương pháp cùng với con số, vì thiếu thông tin này thì giá trị Vth không so sánh được giữa hai phòng đo hay hai lô sản xuất.
Đo Id-Vg: phép đo nền cho mọi phương pháp
Cả ba phương pháp đều xuất phát từ cùng một phép đo Id-Vg: quét điện áp cổng, giữ điện áp máng cố định, ghi dòng máng tương ứng. Điểm mấu chốt là điện áp máng phải đủ nhỏ để transistor làm việc trong vùng tuyến tính. Keysight khuyến nghị đặt điện áp máng dưới 100 mV cho mục đích này. Nếu đặt Vd lớn, linh kiện rơi vào vùng bão hoà, hiệu ứng điều chế độ dài kênh xen vào và giá trị Vth trích được sẽ lệch.
Chất lượng đường cong Id-Vg quyết định chất lượng của Vth. Ở vùng dưới ngưỡng, dòng máng có thể xuống tới mức pico-ampe hoặc thấp hơn, nên thiết bị đo phải có dải dòng đủ thấp và nhiễu đủ nhỏ.
Phương pháp ngoại suy tuyến tính: chuẩn công nghiệp và giới hạn của nó
Phương pháp ngoại suy tuyến tính, thường gọi tắt là ELR, là cách được dùng rộng rãi nhất trong mô hình hoá linh kiện. Quy trình gồm bốn bước rõ ràng.
Trước hết, tính hỗ dẫn gm là đạo hàm của dòng máng theo điện áp cổng, rồi xác định điểm mà gm đạt cực đại. Tiếp theo, dựng tiếp tuyến của đường Id-Vg tại chính điểm cực đại đó. Sau đó tìm giao điểm của tiếp tuyến này với trục điện áp cổng. Cuối cùng, lấy giá trị giao điểm trừ đi một nửa điện áp máng để ra Vth.
Bước trừ Vd/2 ở cuối không phải thủ thuật tuỳ tiện. Nó bù phần sụt áp dọc kênh dẫn, nhờ đó giá trị trích được ít phụ thuộc vào mức Vd mà kỹ sư chọn.
Điểm yếu của ELR nằm ở giả định rằng tồn tại một đoạn thực sự tuyến tính trên đường Id-Vg. Với linh kiện hiện đại, giả định này lung lay vì hai nguyên nhân. Thứ nhất là suy giảm độ linh động: khi điện trường ngang tăng, độ linh động hạt tải giảm, làm đường cong uốn xuống và kéo điểm cực đại gm lệch đi. Thứ hai là điện trở ký sinh nối tiếp ở cực nguồn và cực máng: phần điện áp rơi trên các điện trở này làm méo đường cong, và méo càng rõ khi linh kiện có kênh ngắn. Cả hai hiệu ứng đều đẩy giá trị Vth trích được ra khỏi giá trị vật lý thật.
Phương pháp dòng không đổi: đơn giản nhưng phụ thuộc quy ước
Phương pháp dòng không đổi, viết tắt CC, định nghĩa Vth là điện áp cổng ứng với một mức dòng máng quy ước. Mức dòng này được chuẩn hoá theo tỉ lệ hình học của transistor, tức là dòng ngưỡng bằng tỉ số bề rộng trên chiều dài kênh nhân với một hằng số dòng. Giá trị hằng số thường dùng là 100 nA, tương ứng 10⁻⁷ A, tuy con số này thay đổi theo từng nút công nghệ.
Ưu thế của CC là tốc độ và tính lặp lại. Không cần đạo hàm, không cần dựng tiếp tuyến, chỉ cần nội suy một điểm trên đường cong đã đo. Vì không lấy đạo hàm nên phương pháp này cũng miễn nhiễm với nhiễu đo tốt hơn hẳn ELR, do đạo hàm luôn khuếch đại nhiễu.
Nhược điểm là kết quả phụ thuộc nặng vào hằng số dòng được gán. Đổi hằng số dòng thì Vth đổi theo, và với linh kiện có độ dốc dưới ngưỡng kém thì mức thay đổi này không hề nhỏ. Do đó khi báo cáo Vth theo CC, hằng số dòng phải được ghi kèm như một phần không tách rời của con số.
Phương pháp cực đại hỗ dẫn và quan hệ với hai phương pháp trên
Cách thứ ba lấy trực tiếp điện áp cổng tại điểm hỗ dẫn đạt cực đại làm Vth, bỏ qua bước dựng tiếp tuyến. ELR dùng điểm cực đại gm làm mốc để dựng tiếp tuyến, còn phương pháp này dừng lại ngay tại mốc đó. Vì vậy hai phương pháp luôn cho hai con số khác nhau trên cùng bộ dữ liệu, và chênh lệch giữa chúng phản ánh độ cong của đường Id-Vg quanh điểm làm việc.
Phương pháp cực đại hỗ dẫn nhạy với nhiễu hơn cả ELR, vì nó phụ thuộc hoàn toàn vào vị trí đỉnh của một đường đạo hàm. Muốn dùng được, dữ liệu Id-Vg phải có bước quét đủ mịn và mức nhiễu đủ thấp, nếu không đỉnh gm sẽ nhảy loạn giữa các lần đo.
Cây quyết định khi chọn phương pháp
Nếu mục tiêu là trích tham số cho mô hình SPICE hoặc so sánh với dữ liệu của nhà cung cấp, chọn ELR, vì đây là quy ước được dùng phổ biến nhất trong mô hình hoá và có bù Vd/2.
Nếu mục tiêu là kiểm tra sản xuất trên số lượng lớn, nơi thời gian đo và tính lặp lại quan trọng hơn ý nghĩa vật lý tuyệt đối, chọn CC và cố định hằng số dòng trong suốt dự án.
Nếu đang khảo sát linh kiện có điện trở ký sinh lớn hoặc suy giảm độ linh động mạnh, đừng tin một phương pháp đơn lẻ. Trích bằng cả ba rồi so chênh lệch: khoảng cách giữa các kết quả chính là chỉ dấu cho biết đường cong đã méo tới mức nào.
Cuối cùng, khi theo dõi trôi Vth theo thời gian hoặc theo ứng suất, điều quan trọng không phải là chọn phương pháp nào mà là giữ nguyên phương pháp trong toàn bộ chuỗi đo. Cùng một logic đã áp dụng khi đo Gummel plot cho transistor lưỡng cực: giá trị tuyệt đối ít quan trọng bằng tính nhất quán của quy ước trích tham số.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đo Vth
Với transistor tín hiệu nhỏ và linh kiện logic, máy phân tích tham số bán dẫn Keysight B1500A là lựa chọn nền. Máy hỗ trợ tối đa 10 kênh, dòng ra tối đa 1 A ở chế độ DC và 3 A ở chế độ xung, độ phân giải đo dòng nhỏ nhất 0,1 fA. Danh mục phép đo của máy nêu đích danh Id-Vg, Id-Vd, Vth, đánh thủng, điện dung và QSCV, cùng nhóm phép đo độ tin cậy gồm NBTI/PBTI, charge pumping, điện di và TDDB. Khối đo điện dung làm việc trong dải 1 kHz đến 5 MHz.
Khi đối tượng là linh kiện công suất, máy phân tích linh kiện công suất Keysight B1505A phù hợp hơn nhờ dải điện áp và dòng lớn hơn nhiều. Máy dùng khung mô-đun 10 khe, đạt tới 10 kV, dòng DC tối đa 2 A và dòng xung tối đa 40 A, độ phân giải đo dòng 10 fA. Máy cũng đo được điện dung với điện áp phân cực từ 0 đến ±3000 V và đo xung công suất lớn với độ rộng xuống tới 10 µs, hữu ích khi cần chặn tự nung trong lúc lấy đặc tuyến.
Với phòng thí nghiệm chỉ cần quét Id-Vg trên linh kiện rời mà không cần khung mô-đun đầy đủ, một cặp nguồn-đo chính xác SMU Keysight B2902C đủ để cấp áp cổng, cấp áp máng và đo dòng đồng thời với chi phí thấp hơn đáng kể.
Về phần mềm, PathWave Model Builder của Keysight tích hợp sẵn cả hai phương pháp dòng không đổi và ngoại suy tuyến tính, cho phép đổi chiến lược trích tham số mà không phải viết lại kịch bản đo.
Kết luận
Điện áp ngưỡng là một quy ước có kiểm soát chứ không phải hằng số vật lý đọc thẳng từ linh kiện. Ba phương pháp trên khác nhau ở chỗ đặt ranh giới ở đâu trong vùng chuyển tiếp, và mỗi lựa chọn kéo theo một loại sai số riêng. Điều quan trọng là biết mình đang dùng quy ước nào, biết quy ước đó hỏng ở đâu, và ghi lại đầy đủ để người sau đọc được kết quả.
Độ tin cậy của toàn bộ chuỗi lập luận trên phụ thuộc vào việc thiết bị đo có còn đúng hay không. Sai lệch vài milivôn ở nguồn áp cổng đi thẳng vào giá trị Vth mà không có cách nào phát hiện từ dữ liệu. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích tham số, SMU và thiết bị đo bán dẫn. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo hoặc lên lịch hiệu chuẩn định kỳ.
